HIAF:n ensimmäinen fysiikan tulos: 10 hafnium-153-ionia ydinvakauden äärirajoilla

Miksi hafnium-153 on tärkeä?

Hafnium-153 kuuluu raskaisiin, neutroniköyhiin ytimiin. Tällaisessa aineessa protonien ja neutronien välinen tasapaino käy yhä vaikeammaksi ylläpitää. Ennen tätä koetta isotooppia ei ollut raportoitu.

Sen olemassaolon varmistaminen ja massan mittaaminen antaa ydinfyysikoille uuden vertailupisteen atomiytimien massamalleille. Tulokset kertovat myös siitä, miten ydinrakenne muuttuu, kun lähestytään ydinvakauden äärirajaa.

Mittaus viittaa siihen, että ^153Hf on sitoutunut tai heikosti sitoutunut ydin. Havainto vastaa useiden ydinten massamallien ennusteita. Yksi mittaus ei ratkaise kaikkia isotooppiin liittyviä kysymyksiä, mutta se tarjoaa tärkeän kokeellisen testin teorioille, joilla ennustetaan vaikeasti havaittavia tai vielä tuntemattomia ytimiä.

Näin 10 ionia tuotettiin ja tunnistettiin

Koe alkoi, kun HIAF:n Booster Ring -kiihdyttimessä kiihdytettiin vismutti-209-suihku energiaan 836,66 megaelektronivolttia nukleonia kohti. Suihku ohjattiin grafiittikohtioon, jossa syntyi ydinfragmentaatioreaktioita ja niiden seurauksena sekoitus erilaisia radioaktiivisia ytimiä.

Hafnium-153:n löytäminen ei kuitenkaan ollut vain sen tuottamista. Se piti tunnistaa paljon yleisempien reaktiotuotteiden joukosta.

Reaktiotuotteet kuljetettiin ja eroteltiin HIRIBL-suurienergisen radioaktiivisen ionisuihkun linjastossa, minkä jälkeen ne ohjattiin SRing-varastointi- ja spektrometrirenkaaseen. Lentoaikamittaukset auttoivat erottamaan ehdokkaat toisistaan. Tämän jälkeen isokroninen massaspektrometria mahdollisti massan tarkan mittaamisen ja hafnium-153:n tunnistamisen. Yhteensä havaittiin 10 ^153Hf-ionia.

Isotoopin tuotannon arvioitu vaikutusala oli pikobarnien suuruusluokkaa. Käytännössä hafnium-153 syntyi siis poikkeuksellisen harvoin. Luotettava havainto vaati HIAF:n voimakkaan primäärisuihkun, tehokkaan ja tarkkaresoluutioisen fragmenttierotuksen sekä yksittäisiin ioneihin herkän massaspektrometrian toimimista yhdessä.

RIKEN teki riippumattoman havainnon

Japanin RIKEN-tutkimuskeskuksen Radioactive Isotope Beam Factory -laitoksella eli RIBF:llä tutkijat raportoivat samoihin aikoihin ^153Hf:n riippumattomasta havainnosta. Kahden eri laitoksen tulokset tukevat toisiaan ja vahvistavat isotoopin tunnistamista.

Riippumaton vahvistus on erityisen arvokas silloin, kun tutkittavia ytimiä syntyy vain kourallinen. Tässä tapauksessa RIKEN:n ja HIAF:n havainnot antavat tutkijoille vankemman pohjan verrata hafnium-153:a ydinfysiikan teoreettisiin malleihin.

Mitä tulos kertoo HIAF:sta?

Hafnium-153 ei ole HIAF:n tutkimusohjelman päätepiste, vaan ensimmäinen osoitus laitoksen suorituskyvystä. Tulos näyttää, että kiihdytin, radioaktiivisten ionisuihkujen kuljetus, fragmenttien erotus ja tarkka massanmittaus voidaan yhdistää harvinaisten ja lyhytikäisten ytimien tutkimiseksi.

Kun HIAF:n suihkun voimakkuus ja kokeiden tehokkuus kasvavat, laitoksen kokeellisen ulottuvuuden odotetaan paranevan noin kaksi kertaluokkaa. Tämä voisi mahdollistaa uusien isotooppien löytämisen, ydinten massamallien vaativammat testit ja ydinominaisuuksien mittaamisen tilanteissa, joissa protonien ja neutronien välinen epätasapaino on vielä voimakkaampi.

Hafnium-153 on siten tärkeä kahdesta syystä. Se on sekä erittäin vaikeasti tuotettava ja tunnistettava uusi ydin että käytännön osoitus siitä, että HIAF on valmis tutkimaan ydinkartan heikommin tunnettuja reuna-alueita.